30.03.2021

Expertenrunde Lagerlose Drehgeber - Teil 1/2

Ohne Lager

Wo liegen die Vor-/Nachteile von lagerlosen Drehgebern, wo und wie werden die Produkte bereits eingesetzt und welche Technologien stehen zur Verfügung? Antworten hierauf gibt die Drehgeberrunde des SPS-MAGAZINs mit Experten von Baumer, Kübler, Lenord+Bauer, Posital und RLS. Moderator war Dr. Johann Pohany.


Welche Technologien gibt es für lagerlose Drehgeber?

Philipp Kaim (Baumer): Alle Technologien, die es bereits für klassische Drehgeber gibt, sind grundsätzlich auch bei lagerlosen Systemen anwendbar. Basierend auf magnetischer Technologie bieten wir optimale Lösungen für ein sehr breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Performanceklassen. Z.B. Multiturn-Drehgeber mit kosteneffizienten Diametral-Magneten für Positionieraufgaben im schweren Fahrzeugbau oder Präzisionsdrehgeber mit hochpoligem Magnetring zur Antriebsregelung in Werkzeugmaschinen. Für besonders raue Anwendungen, z.B. im Bereich Bahn oder Stahlwerke sind HeavyDuty-Ausführungen gefordert. Hier kommen Maßverkörperungen mit breiten Polteilungen zum Einsatz, um selbst bei großen mechanischen Toleranzen präzise Messergebnisse sicherzustellen.

Jörg Paulus (Posital): Für die einen ist lagerlos ein langes Magnetband mit einem Lesekopf, für uns ein sehr kleines System mit einem Diametral-Magneten.

Arnold Hettich (Kübler): Für uns bedeutet lagerlos magnetische Polräder mit Sensorköpfen, aber natürlich gibt es auch andere Technologien wie induktiv oder optisch.

Dr. Peter Velling (Lenord+Bauer): Wir setzen induktive Systeme ein und verwenden bei magnetischen Systemen Hall oder magnetoresistive (MR) Sensoren. Die Besonderheit ist, dass die Maßverkörperung ein Zahnrad ist, das nicht magnetisiert ist und die Abtastköpfe einen Stützmagneten beinhalten. Hall-Sensoren sind dagegen sehr robust, aber nicht so genau. Die MR-Technologie kommt oft bei Anwendungen zum Einsatz, die sehr hochwertige Lager haben, wie Spindeln mit 50.000 Umdrehungen und mehr pro Minute. Dort wirkt ein Lager begrenzend, weshalb wir dort ein lagerloses System verwenden. Wir montieren dieses auf die Spindel und bekommen so sehr präzise geführte Achsen mit einem konstanten Luftspalt. Mittlerweile erreichen wir mit einem Einzelkopf 15 Winkelsekunden und mit einem Doppelkopf fünf Winkelsekunden Genauigkeit - basierend auf einem Magnetsystem mit Zahnrad.

Andrej Metljak (RLS): RLS hat von Anfang an auf lagerlose Technologien gesetzt. Angefangen haben wir mit einfachen On-Axis-Encoder-Systemen mit diametral Magneten und dann die Technologien weiterentwickelt, wie unsere absoluten Ring-Encoder.

Wo sind die Vorteile einer Induktivtechnologie, wo die Nachteile?

Velling: Bei der Schienenverkehrstechnik haben wir Anbauorte, bei denen das Zahnrad zur Abtastung quasi offen gegen das untere Schotterbett ist. Dort könnte magnetischer Staub, z.B. Abrieb von Bremsen usw. über das Zahnrad an den Magnetkopf gelangen. Daher wird dort kein Magnet-, sondern ein induktives System eingesetzt. Wenn man bei hohen Geschwindigkeiten abbremst, kann zudem eine magnetisch beeinflusste Bremse anschlagen und im Umfeld des Sensors starke Magnetfelder entstehen. Es geht dort bei der Systementscheidung also gar nicht um Genauigkeit, Auflösung oder Drehzahl.

Hettich: Bei Highend-Anwendungen mit Drehzahlen bis zu 60.000 Umdrehungen ist die Maßverkörperung eines Zahnrads robuster als ein Magnetring. Allerdings sehen wir für Anwendungen bis 12.000 Umdrehungen mehr Anwendungsfälle für magnetische Polräder als für Nockenräder oder Zahnradgeber.

RLS macht seit 25 Jahren Magnettechnologie. Haben Sie auch einmal in die Induktivtechnologie reingeschaut?

Metljak: Wir schauen die ganze Zeit, welche Technologien es auf dem Markt gibt, haben uns aber dagegen entschieden, da wir nun einmal im Bereich der magnetischen Technologien das meiste Knowhow haben. So haben wir kürzlich eine Familie lagerloser magnetischer Encoder entwickelt, für bis zu 60.000 Umdrehungen.

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Spindeln liegen oft im Bereich von 20.000 Umdrehungen. Gibt es wirklich Applikationen für 50.000 Umdrehungen?

Metljak: Wir haben Testsysteme, die bis zu 60.000 Umdrehungen haben.

Velling: Natürlich ist das Feature Drehzahl 50.000 wichtig, aber unser System ist auch für Spindeln ab 15.000 Umdrehungen hochwertig genug und vom Preisgefüge her so, dass dort unsere Sensoren eingebaut werden. Bei noch höheren Drehzahlen, Richtung Schleifspindel, ist die Drehzahl so hoch, dass dort keine Sensoren mehr zum Einsatz kommen. Jenseits der 40.000 Umdrehungen werden meist Einbau-Minicodersysteme eingesetzt, weil das Zahnrad mechanisch sehr robust ist. Dabei geht es nicht nur um die Drehzahl, sondern sie haben dort ein offenes System, direkt am b-seitigen Lagerschild und eine Maßverkörperung, die auch die Abwärme des Lagers sowie Schneide-/Kühlmittel oder andere Flüssigkeiten abbekommt. Wenn Sie dann eine Maßverkörperungen aus ferromagnetischem Stahl haben, kann dort nichts durch abrasive oder andere Effekte abgehen.

Wo liegen Ihre Grenzen bei den Umdrehungszahlen?

Hettich: Dort, wo sich die klassisch gelagerten Drehgeber bewegen, das heißt in Größenordnungen bis max. 12.000 Umdrehungen.

Kaim: Der Großteil der Applikationen liegt im Bereich unter 12.000 Umdrehungen. Wir haben aber auch serienmäßig Lösungen z.B. für Prüfstände, die bis zu 30.000 Umdrehungen erlauben. Tests haben gezeigt, dass unsere speziell dafür ausgelegten Systeme auch Drehzahlen bis 50.000 standhalten.

Paulus: Große Umdrehungen sind nicht unser Thema, da unsere lagerlosen Drehgeber bei Schritt- oder Servomotoren eingesetzt werden. Dort geht es um Umdrehungen bis maximal 15.000. Wir sehen uns mehr bei Volumen- und nicht bei Spezialanwendungen.

Was sind Nachteile der Magnettechnologie bei lagerlosen Drehgebern?

Paulus: Bei lagerlosen Technologien ist der Vorteil die mechanische Entkopplung. Der Nachteil ist, dass der Anwender dafür sorgen muss, dass die Integration funktioniert. Einen Standalone-Geber baut er einfach ein und hat die Kalibrierung usw. gemacht. Bei lagerlosen Systemen muss sich der Kunde etwas mehr um die Integration kümmern. Die heutigen Systeme sind allerdings sehr weit, um den Kunden hierbei zu unterstützen.

Hettich: Natürlich müssen die Geräte bei gewissen Herausforderungen einwandfrei funktionieren, wie z.B. Magnetfelder, Schmieröl oder anderen Stoffen. Einen klassischen Drehgeber zu tauschen ist einfach. Wenn aber ein lagerloser Drehgeber integriert ist, wird es deutlich schwieriger. Dort gibt es Kombinationen, bei denen nur der Magnetring in der Applikation verbleibt und nie gewechselt werden muss, dafür aber der Sensorkopf.

Velling: Der Kunden muss sich früh entscheiden, welche Systeme er integrieren möchte und sich auch von der Einbaureihenfolge festlegen, also wann er ein Zahnrad montiert und auf eine Welle schiebt oder wann er ein Polrad montiert.

Metljak: Wenn man ein lagerloses System verwendet, muss man von Anfang an die Applikation so designen, dass alles zusammenpasst. Das kann aber auch ein Vorteil sein, wenn es um kleine Einbauräume geht. Wir nennen das High Density Integration, das heißt weil wir nur einen Lesekopf und einen magnetischen axialen oder radialen Ring haben, kann das System sehr gut in enge Räume eingebaut werden, wie z.B. bei Cobots oder medizinischen Robotern.

Kaim: Der Nachteil externer Magnetfelder ist oft mit einfachen Mitteln kontrollierbar. Mit entsprechenden Simulationswerkzeugen können wir die Wirkung von Abschirmmaßnahmen sehr gut vorhersagen. Die Genauigkeit eines Drehgebers hängt zudem stark von der Präzision der Maßverkörperung bzw. deren Montage ab. Bei lagerlosen Systemen wird ein Teil der Präzisionsarbeit an den Kunden ausgelagert. Allerdings bieten wir mittlerweile dank performanter Signalverarbeitung neue Möglichkeiten zur Korrektur dieser Fehler in Echtzeit.

Herrn Paulus, wo stehen Ihre 56mm-Produkte heute und was sehen Sie als nächsten Schritt bei den magnetischen Gebern?

Paulus: Wir sehen über die letzten 15 Jahren bei den Genauigkeiten eine deutliche Weiterentwicklung der magnetischen Technologie, vor allem durch die Signalverarbeitung. Wir kommen heute auf Genauigkeiten von 0,09°, was im Standalone-Bereich bei den meisten Applikationen ausreicht. RLS ist mit der Magnetik bereits in Genauigkeitsbereichen unterwegs, wo die Magnetik die Optik eingeholt hat. Die Genauigkeit unserer Kit-Encoder für Servomotoren sind für einen großen Teil des Marktes, den wir erreichen, absolut befriedigend. In Zukunft ist bei der Magnetik, vor allem durch Technologien wie MR, zudem noch deutlich mehr zu erwarten.

Metljak: In der Vergangenheit waren es meistens Hall-Sensoren, aber wir alle arbeiten schon länger mit AMR, TMR, GMR usw. Sensoren, die Vorteile haben, wie ein besseres SNR oder, dass die Ausgangsamplitude unabhängig von Installationstoleranzen ist. Zudem kann man Sensoren kombinieren und so die Signalverarbeitung nochmals optimieren.

Wo liegen Ihre aktuellen Performance-Werte?

Metljak: Bei 0,05° mit den Standardsystemen. Wenn man zwei Leseköpfe verwendet und die Exzentrizität optimiert usw., dann geht es sogar noch besser.

Velling: Wenn man bei einer hochdrehenden Spindel nur eine Drehzahlregelung braucht, reichen 15 Winkelsekunden. Wenn man aber an Rundtischapplikationen in einer Werkzeugmaschine denkt, dann kommt es schon darauf an, dass man eine Winkelposition sehr exakt anfahren kann, um Bohrungen auch 90° versetzt machen zu können. Dort müssen sie deutlich besser sein als zehn Winkelsekunden. Mit unserem Doppelkopfsystem haben wir fünf Winkelsekunden erreicht, natürlich abhängig vom Durchmesser des Zahnrades, von dem Modul und der Zähnezahl. Sie brauchen eine Maßverkörperung mit einer sehr feinen Verzahnung, mit der sie einen Luftspalt von 150µm abtasten können.

Kaim: Eine Möglichkeit die Genauigkeit eines Drehgebers zu verbessern ist sicher die Reduzierung der Teilungsgröße der Maßverkörperung, z.B. mehr Zähne auf einem Zahnrad oder mehr Pole auf einem magnetisierten Ring. Unabhängig von der eingesetzten Technologie führt dies aber zwangsläufig zu einer Reduzierung des maximal tolerierbaren Luftspalts. Das stellt in vielen Applikationen ein K.O. Kriterium dar. Bei Baumer liegt deshalb der Fokus auf der Weiterentwicklung der Magnetisierungstechnologie. Wir erreichen heute selbst bei großen mechanischen Luftspalt-Toleranzen im mm-Bereich eine Genauigkeit weit unter 100 Winkelsekunden. Für Spezialanwendungen mit sehr hohen Anforderungen bieten wir Doppel- oder Dreikopfsysteme, die z.B. Exzentrizitäts- oder Taumelfehler in Echtzeit korrigieren und Genauigkeiten im Bereich zehn Winkelsekunden erreichen.

Hettich: Mit unseren magnetischen Systemen und Polrädern für Motoren können wir genauso hohe oder sogar höhere Genauigkeiten und Auflösungen erzielen, als mit den klassischen 58er-Drehgebern. Wir haben dort Genauigkeiten im einstelligen Winkelsekundenbereich und Auflösungen größer 24Bit. Der Vorteil von lagerlosen Systemen ist, dass man keine Statorkupplung benötigt und dadurch eine potenzielle Problemquelle entfällt.

Die klassische Magnettechnologie hatte das Problem, dass die Dynamik der Signalverarbeitung der Dynamik der Applikation hinterher gehinkt ist. Haben Sie ein dynamisches Verhalten von Ihren lagerlosen Systemen, das an gelagerte Systeme ran kommt?

Paulus: Gerade in diesem Bereich gab es dank einer Signalverarbeitung mit schnellen Mikrocontrollern und optimierten Filtern für hohe Dynamiken die größte Weiterentwicklung in den letzten 15 Jahren.

Metljak: Wir verwenden unsere eigenen ASICs für die Sensoren. Zudem sind Mikrocontroller und FPGAs deutlich schneller geworden. Ich sehe daher die Dynamik nicht mehr als Nachteil von magnetischen lagerlosen Systemen.

Velling: Auch wir sehen in keiner Applikation, dass unsere Minicoder-Abtastköpfe Dynamik-begrenzend wären und das Regelverhalten einschränken. Egal, ob bei einem Motor mit 5.000 Umdrehungen oder einer Spindel mit 25.000 Umdrehungen.

Hettich: Mit heutigen Signalverarbeitungen eröffnen sich völlig neue Felder für lagerlose Systeme, wo bisher nur optische oder gelagerte Systeme zum Einsatz kamen, speziell bei Servomotoren.

Kaim: Bei der Verzögerung durch Signalverarbeitung spielen die Themen Berechnungszeit und Filterlaufzeit eine wichtige Rolle. Letztere ist schlicht Physik und bei der Systemauslegung muss grundsätzlich ein Kompromiss aus Dynamik und Signalgüte getroffen werden. Beim Thema Berechnungszeit profitieren wir von der Performance von Mikrocontrollern. Weniger flexibel aber dafür deutlich schneller realisieren wir die Signalverarbeitung in vielen Produkten mit speziellen ASICs.

Velling: Auch dort, wo man früher nur analog war, gibt es heute bereits digitale Schnittstellen. Mitsubishi und Fanuc, als führende Maschinenhersteller, haben ihre eigenen digitalen Protokolle. Ich brauche daher in einem sehr klein bauenden Sensorkopf einen hochperformanten Mikrocontroller, der letztlich auch die inkrementelle Information digital auftaktet. Mittlerweile takten wir die Drehzahlinformationen in zweieinhalb Mikrosekunden aus und können damit Informationen digital bis zu 50.000 Umdrehungen direkt in den Frequenzumrichter schicken.

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